GLOBAL Las bombas de inyección de agua se utilizan para extraer los recursos de petróleo y gas costa afuera. La presión de operación de estas bombas aumenta con la profundidad del yacimiento. Los impulsores deben soportar una presión de 1 000 bar (100 MPa) y 60 000 ciclos de carga por minuto. Para mejorar la confiabilidad de las bombas, los especialistas en materiales y procesamiento de Sulzer están investigando constantemente qué materiales y tecnologías de proceso son los más adecuados para su uso en el futuro.
Existen diferencias invisibles entre las bombas, pero influyen en la disponibilidad a largo plazo de la bomba. El material utilizado para el impulsor de la bomba o la carcasa de la bomba tiene una gran influencia en su resistencia al estrés o la corrosión. Todos los días, los materiales recientemente desarrollados están disponibles para procesos de fabricación aditivos y permiten a los fabricantes ir por nuevos caminos en la producción.
Pronto, el uso inteligente de tecnologías de proceso y materiales será una de las claves para ofrecer productos competitivos para el mercado. El mejor material no es el único factor decisivo: el material y el proceso más adecuados. En algunos casos, el tiempo de entrega es lo más importante, luego gana un proceso de producción más rápido. Para fluidos de bombeo corrosivos o agresivos, las propiedades mejoradas de los materiales con recubrimientos o una mayor resistencia a los productos químicos ganan el proceso de evaluación.
Crecientes demandas de las bombas de inyección de agua
La exploración y extracción de los recursos de petróleo y gas de los reservorios en alta mar obliga a la industria del petróleo y el gas a estirar sus límites. Cada vez se utilizan más bombas de inyección de agua en aguas profundas o ultra profundas. Cuanto más profundos son los recursos de petróleo y gas, mayor es la temperatura del fluido de los fluidos bombeados, un efecto geotérmico. Además, cuanto más profunda esté funcionando la bomba, más sustancias corrosivas habrá en el agua inyectada.
A principios de la década de 1970, la presión de descarga de las bombas de inyección de agua era de alrededor de 350 bar (35 MPa). En 2001, Sulzer estableció un récord mundial al instalar cuatro bombas HPcp en el Golfo de México. Estas bombas operan con una presión de descarga de 605 bar (61 MPa). Anticipándose a los crecientes requisitos, Sulzer lanzó un estudio conceptual en 2009 para desarrollar una bomba de inyección con una presión de servicio de 800 bar (80 MPa). La retroalimentación del cliente a este proyecto estableció un punto de referencia de desarrollo más alto, y Sulzer desarrolló una bomba que proporciona 1 000 bar (100 MPa) de presión operativa.
¿Cómo es posible lograr tal aumento de presión? Parcialmente, agregando etapas de bombeo, pero principalmente definiendo una cabeza más alta por etapa. Estos cambios aumentan la tensión mecánica sobre los materiales utilizados en las bombas. Por lo general, el acero inoxidable súper dúplex se utiliza como material de bomba para bombas de alta presión. Pero con una presión de 1 000 bar (100 MPa), se alcanzan los límites mecánicos de este acero.
Además de las soluciones de ingeniería inteligentes, los desarrollos de bombas posteriores requerirán materiales mejorados, que brinden mayor resistencia con la misma o incluso mejor resistencia a la corrosión. Sin embargo, estos materiales no son fáciles de encontrar porque la resistencia del material y la corrosión generalmente se oponen entre sí.
Un desafío es encontrar los materiales apropiados del impulsor, ya que estos componentes no pueden ejecutarse como una carcasa de bomba en aceros de alta resistencia y baja aleación revestidos con una capa de acero inoxidable resistente a la corrosión y al desgaste. Además de la resistencia y la resistencia a la corrosión, la resistencia a la fatiga del material del impulsor es la clave del éxito, ya que estos componentes ya están expuestos hoy en día a un número muy alto de ciclos de carga.
Ciclos de carga en una bomba
En una bomba de tipo difusor común, cada paleta impulsora pasa aproximadamente diez paletas difusoras por revolución. Cada paso provoca un pico de presión en el impulsor, lo que conduce a una pequeña deformación elástica de la pieza.
Nuevos materiales necesarios
Para satisfacer las futuras demandas de las bombas de alta energía, Sulzer siempre está mirando hacia el futuro y evalúa y prueba nuevos materiales y tecnologías de proceso. Consciente de que el material de la bomba es de vital importancia, Sulzer emplea un equipo dedicado de 18 especialistas en materiales en su departamento de Materiales de Tecnología de Bombas Fundamentales.
Thomas Kränzler afirma: “Es un desafío encontrar nuevos materiales potenciales para la próxima generación de bombas de inyección de agua. Mejorar las propiedades mecánicas y de corrosión a menudo influye en los métodos de fabricación o aumenta los costos de producción de manera desproporcionada. Por lo tanto, nuestra evaluación no está restringida a especialistas en materiales. Colaboramos estrechamente con los especialistas en fabricación para seleccionar y calificar nuevos materiales “.
Selección de materiales
La selección moderna de materiales es objetiva, un hecho que se refleja en la selección cuantificada para un material impulsor que es más resistente que el acero inoxidable superdúplex fundido, pero al menos tan resistente a la corrosión. La cuantificación de las dos propiedades críticas del material se vuelve fácil en una base de datos, pero hay límites. La fuerza se correlaciona bien con la resistencia al inicio de grietas por fatiga. Sin embargo, surge la necesidad de correlaciones porque hay más datos para versiones forjadas que para versiones fundidas. Para estimar y juzgar la resistencia a la corrosión por picadura, los ingenieros de materiales usan el número equivalente de resistencia a la picadura (PREN = Cr + 3.3 Mo + 16N). PREN es un índice formado por una combinación lineal de porcentajes en peso de elementos químicos clave. Sin embargo, la optimización del rendimiento utilizando las dos propiedades principales en todos los materiales de la base de datos se vuelve clara en un gráfico. Los círculos en la Fig. 4 representan el rango de propiedades para un material específico, con el súper dúplex resaltado como No.1. Las posiciones de la burbuja muestran el rendimiento relativo con igualdad dada a lo largo de una línea diagonal y el mejor rendimiento hacia la parte superior derecha en este gráfico. El material con el potencial más prometedor es una aleación especial a base de níquel (No. 2). La selección de material cuantificada, por lo tanto, revela que solo hay un número limitado de aleaciones con mejor rendimiento que el acero inoxidable súper dúplex, y que solo una ofrece la más prometedora: una aleación a base de níquel.
Selección de procesos
La selección del procesamiento del material es cualitativa y más simple que la selección del material. Los materiales trabajados o trabajados son conocidos por sus propiedades mecánicas relativamente favorables, pero solo un problema los descalifica inmediatamente. No hay otra consideración sobre los materiales forjados porque no hay herramientas para mecanizar las cavidades complejas de un impulsor cerrado. Asimismo, la unión de múltiples piezas forjadas presenta serios riesgos para la resistencia a la fatiga. Los procesos modernos y tradicionales restantes más adecuados conllevan tanto ventajas como desventajas. Tenga en cuenta que la impresión 3D utilizando la fusión por láser esencialmente construye partes a partir de múltiples piezas en miniatura. Como resultado, hay inevitables discontinuidades de la solidificación y tensiones residuales. Por lo tanto, el vaciado por inversión al vacío toma preferencia debido a la disponibilidad y el costo competitivo, y es una ruta de producción probada para las superaleaciones basadas en níquel para el endurecimiento por precipitación.
El rango de resistencias a la fatiga dispersas es más estrecho después de aplicar el prensado isostático en caliente (HIP), lo que aumenta la confiabilidad. HIP es como una gran olla a presión. Tiene lugar a 1’200 ° C cerca del punto de fusión del metal y dura por lo menos tres horas. Durante el HIP, el argón inerte se usa para construir presiones de 1000 bar (100 MPa) que cierran los vacíos internos de fundición, lo que de otro modo degradaría la resistencia al agrietamiento por fatiga. Esta presión extrema se acerca a la presión en la Fosa de Mariana, que es la parte natural más profunda conocida de los océanos de la Tierra (aproximadamente 11 km / 6.8 millas por debajo del nivel del mar).
Un segundo proceso de tratamiento térmico mejora la confiabilidad al aumentar la resistencia a la fatiga promedio. Con el aumento de las tensiones aplicadas promedio de los campos petrolíferos más profundos, el recocido de la solución y el endurecimiento por precipitación al vacío aumentan la resistencia promedio del material para reducir la posibilidad de falla. Existen medidas añadidas para controlar la distribución de la fuerza. El manejo de las tensiones internas o residuales del material, que continúa a lo largo del proceso, reduce la variación de resistencia. Dado que la aleación es compatible con el enfriamiento lento, Sulzer utiliza enfriamiento por gas inerte controlado en lugar de enfriamiento. Por lo tanto, el prensado isostático en caliente y el endurecimiento controlado por precipitación mejoran la confiabilidad al dar como resultado una distribución más estrecha de la resistencia del material con un promedio más alto.
La fiabilidad hace uso de modelos de rendimiento empíricos y materiales. La cuantificación de la confiabilidad del impulsor depende en gran medida de la ciencia e ingeniería de los materiales, la mecánica de fracturas y las estadísticas debido a la física probabilística del enfoque de falla. Para esto, las propiedades mecánicas de fatiga y fractura son críticas. Se aplicarán estadísticas bayesianas robustas y adaptativas a los resultados de las muchas pruebas de iniciación de grietas por fatiga por ultrasonidos. La fatiga ultrasónica se refiere a una prueba acelerada, específicamente utilizando frecuencias de carga cíclicas cercanas a 20 kHz en lugar de 20 Hz, para extender las curvas de estrés-vida del megaciclo al dominio del ciclo de gigacicultura. Tenga en cuenta que las pruebas de fatiga de los aceros de gigaciclos han destruido las suposiciones anteriores de límites infinitos de vida y fatiga. Otras pruebas miden defectos, daños y tolerancias ambientales. Por lo tanto, las pruebas y la fiabilidad física son cruciales para el desarrollo y diseño del impulsor de la bomba.
Perspectivas para la evaluación del material
Las pruebas destructivas de las piezas prototipo durante la selección y el procesamiento del material son indispensables. La determinación de las propiedades mecánicas y de corrosión y la caracterización de la microestructura sólo se pueden lograr con pruebas destructivas. Sacrificar muchos cupones representativos y unos pocos impulsores de tamaño completo es parte del proceso de evaluación. Los resultados de las pruebas del nuevo material y el nuevo proceso con prensado isostático en caliente son alentadores. Numerosas secciones transversales metalográficas sin poros o cavidades microscópicas de contracción confirman la calidad de la pieza fundida y la efectividad de HIP. Las pruebas de tracción provisionales muestran un factor de mejora de la resistencia de 1.4 sobre acero inoxidable superdúplex fundido.
